儿童下肢运动康复辅助训练器械的研发

作者：付泽军 李忆楠 龚茗钧　指导老师：于随然　企业指导老师：杜青
上海交通大学　机械工程专业

1．设计目的

脑瘫是以运动功能障碍为主的致残性、终身性疾病，极大地影响了患儿的身心健康，给家庭和社会造成了沉重的负担。运动康复治疗是脑瘫患儿的重要治疗方式之一，但传统的康复治疗存在辅具多、效率低、操作不便等问题，远不能满足脑瘫患儿的治疗需求。而动力外骨骼有着高重复性、长续航的特点，动作可控性高，并可实时传感反馈，相较传统治疗具有明显的优势。本文针对我国脑瘫儿童早期干预工作的必要性和迫切性，为克服传统康复训练方法的局限性，研发一套针对学龄前脑瘫儿童的下肢运动康复辅助训练器械，以协助患儿完成步态康复训练，矫正病理步态，提高其独立行走的能力，同时开发了相关的控制系统与辅助软件。

2．基本原理及方法

1）外骨骼仿生结构

外骨骼直接由使用者穿戴，因此必须与人体下肢协调运动，且须根据人体下肢结构特征进行仿生设计。人体髋关节和踝关节具有三个自由度，膝关节仅有矢状面上的屈伸自由度。在康复过程中，人体的稳定性与方向控制可依靠外部支撑系统，因此外骨骼自由度设计只考虑矢状面内的屈伸运动。髋关节和膝关节的屈伸对康复训练影响较大，须采用主动驱动。为保持踝关节稳定、防止足下垂，采用踝足矫形器控制踝关节运动。

2）外骨骼运动学分析

本文采用D-H参数法建立外骨骼的运动学模型，并进行了运动学分析。正向运动学是通过各关节角位移来求解末端执行器的位置和姿态的过程，可以建立髋、膝关节角度与下肢末端位置的关系。逆向运动学是通过末端执行器的位置和姿态求解各关节角位移的过程，可通过下肢末端空间运动曲线解得关节角度曲线。

3）步态参数与步态规划

人体步行运动特性可用步态参数进行表征，包括步态周期、支撑相和摆动相组成的步态时相，步频、步长、步高等运动学参数，以及各关节角度随时间变化的规律。

步态规划指通过规划步态周期内各关节角度曲线，使外骨骼按规定步态运动的过程，主要分为特征点插值法、零力矩点法等。

4）PID控制原理

PID 控制算法的基本思路为误差控制法，通过检测系统和反馈电路来实现PID闭环控制。控制系统主要由反馈电路、PID控制器和控制对象组成。被控对象输出的控制变量通过反馈系统送至输入端，通过与理论输入值的定量比较得到误差e（t），误差信号经控制器运算后，输出信号u（t）并传输至被控对象。PID参数均需要根据系统的具体情况进行调节，相互配合以保证系统整体的稳定性。

3．主要设计过程或试验过程

1）工业设计

从人机工程学角度出发，制定儿童下肢运动康复器械的工业设计标准，包括满足儿童人体机能特征，保证人机适配度；关注儿童在使用器械时的适应能力；具备良好的人机交互性能，操作便捷高效；保障使用安全性能等。根据以上标准，从结构特征、舒适度设计、安全性设计、外观设计等几个方面确定了产品的工业设计方案。

2）机械结构设计

根据康复器械工作原理，将康复器械划分为外骨骼矫形机构、小车支撑框架、控制系统组件、人机交互接口等模块。

外骨骼单侧具有髋关节屈伸和膝关节屈伸两个自由度，外骨骼系统通过夹具与移动小车平台连接，脑瘫患儿下肢通过绑带与外骨骼矫形机构固定连接。通过序列化设计的关节模块实现腿部长度调节功能，不同型号的关节模块具有相同的结构和接口，方便装拆和更换。参考正常步行关节运动规律，设计机械限位装置，通过电机架上的“U”形限位槽限制关节转动范围，保证使用者的安全性。

小车支撑平台包括扶手、支撑杆和底座等部分，扶手与底座设计为“U”形结构，为患儿提供保护同时保证足够的操作空间。尺寸的规定参考3岁左右儿童身体的尺寸参数，并保证重心位于中间较低位置，增强抗倾覆性能。

3）控制系统设计

控制系统设计选择了电机直接驱动的方案，采用基于三闭环的 PID 控制算法策略，基于电流环为基础，统筹速度环为中层，结合最外层的位置环搭建出相对稳定的控制算法逻辑。

控制系统为三层架构设计，主控制器在最上层提供系统总体部署和工作统筹运算；中层的实时控制层实时接收来自上层的指令并向下传达完成步态控制工作；底层电机编码器执行具体工作并向上反馈数据完成闭环控制。应用数据库中适龄正常儿童的步态数据拟合步态曲线，并确立其为外骨骼电机的轨迹函数指导依据。

4）实物样机制造与测试

根据系统的设计要求，先搭建了原型样机。小车框架通过强度高、焊接性好的304不锈钢管材焊接制造，外骨骼系统通过加工中心完成加工，材料选择6061系铝合金，控制箱采用3D打印的方式制造。除此之外，训练装置还安装了胸部支撑配件和显示屏，显示屏上有人机交互界面，用于控制步态训练模式并实时监测运动状态。

为验证实验样机的可穿戴性和辅助运动效果，使用3岁儿童的标准尺寸模型进行穿戴实验，其穿戴效果良好、连接稳定，关节对线程度较好。髋、膝关节的实际运动角度范围与设计角度偏差极小，满足要求。

5）步态规划及仿真软件开发

先构建外骨骼的D-H模型并进行正逆运动学推导，选取下肢末端空间轨迹的五个特征点，再建立其与步态周期、步长、步高三个步态参数的数学关系，最后参考正常步态的时相规律，采用三次样条插值方法，实现基于步态参数的个性化步态规划。根据步态规划算法，基于Qt和VTK（visualization tool kit）开发步态规划仿真软件，可根据输入步态参数，快速实现步态规划，同时一键生成仿真动画，直观展现规划步态的康复效果，协助评估康复方案。

4．结论

本项目完成了一款新型儿童下肢外骨骼康复训练器械的设计与样机制造，并配套开发出控制系统、人机交互界面和步态规划仿真软件，为患儿步态康复训练提供辅助，具体结论如下：

（1）设计符合设计任务书的各项要求，产品适用于3岁左右脑瘫儿童使用，车身总体由钢和铝合金制成，长宽高为600 mm×500 mm×600 mm，总质量在12 kg左右，适用于室内、室外的平坦地形区域，一次充电可提供超过4小时的持续续航时间，搭建成本小于10 000元人民币。

（2）基于三闭环 PID工作原理设计出一套稳定、流畅并可以实时检测关节角度电机运动情况的外骨骼控制系统，并开发了人机交互界面控制步态训练模式，对使用者的运动状态进行实时跟踪监测。

（3）产品通过角度实时跟踪控制、机械限位、急停电源开关保证了使用者的安全性。针对产品的平衡性和抗倾覆性进行设计，并通过人偶穿戴实验验证设计的可行性与安全性。

（4）采用基于三次样条插值的参数化步态规划方法，开发出一套步态规划仿真动画软件系统，根据输入参数生成步态，同时通过步态仿真动画展现康复效果。

（5）从人机工程学角度进行产品的工业设计，达到了产品形态美学和实用性能的统一。

5．创新点

（1）本项目实现了下肢外骨骼矫形装置与辅助移动小车平台的集成设计，让患儿在户外场景进行康复训练成为可能，使用方便、安全可靠、平衡性好。

（2）本项目开发了高效简洁的人体下肢康复外骨骼控制系统，并通过人机交互界面对康复器械进行控制，可设定步态训练模式或对患儿进行实时跟踪监测，更好地保证了康复训练效果。

（3）本项目提出了一种基于三次样条插值的参数化步态规划方法，并开发步态规划仿真动画软件，集成了个性化步态规划和步态仿真功能，为康复方案的制定提供辅助。

6．设计图或作品实物图

儿童下肢康复辅助器械的工业设计效果如图1所示，结构设计如图2所示，辅助器械实物如图3所示。